亞熱帶-暖溫帶過渡區(qū)不同林型土壤理化性質(zhì)及土壤微生物量分析

朱雅,王敏,劉玉麗,石仁坤,楊雪芹，苗仁輝

（1.河南科技學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003;2.河南科技學(xué)院 園藝園林學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003;3.河南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,河南 開封 475004；4.河南科技學(xué)院生命科技學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)和功能組成部分之一,為植被的生長發(fā)育提供了必要的環(huán)境和營養(yǎng)物質(zhì)[1].土壤發(fā)生層是由成土作用形成的平行于地表具有發(fā)生學(xué)特征的土層,為土壤剖面上表現(xiàn)出的水平層狀構(gòu)造,反映了土壤形成過程中物質(zhì)的遷移、轉(zhuǎn)化和累積的特點(diǎn).在不同深度土層中,土壤容質(zhì)量、土壤含水量、土壤呼吸、養(yǎng)分含量、微生物多樣性等指標(biāo)差異顯著,隨土壤深度增加,土壤碳、氮、磷等養(yǎng)分含量呈現(xiàn)出垂直結(jié)構(gòu)變化[2].枯枝落葉層是森林有機(jī)碳和養(yǎng)分的儲庫,同時(shí)是土壤養(yǎng)分的重要來源.土壤微生物作為分解者是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的關(guān)鍵樞紐,它們使有機(jī)物質(zhì)分解,釋放養(yǎng)分,供植物生長利用.土壤微生物受到森林凈初級生產(chǎn)力、植物碳分配、根際活動(dòng)和凋落物輸入量等的共同影響[3].一般認(rèn)為土壤pH值和碳氮比值是決定土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的重要因素,土壤微生物生物量碳氮細(xì)微變化都會導(dǎo)致土壤性質(zhì)的變化[4].因此,為了研究土壤養(yǎng)分的變化,我們需要研究土壤微生物生物量碳氮的變化,以及由土壤微生物所引起的速效氮等相關(guān)方面的變化.

森林資源清查結(jié)果顯示,我國人工林整體面積為5 300萬hm2,總蓄積量150 500萬m3,占全世界人工林面積的1/3,目前以平均42萬hm2/a速度持續(xù)增加,發(fā)展程度和速度均處于世界領(lǐng)先水平[5].人工林具有分布均勻,速生豐產(chǎn),便于加工利用,經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn).研究區(qū)域信陽市位于秦嶺-淮河一線附近,是亞熱帶和暖溫帶的交界區(qū),氣候環(huán)境獨(dú)特,對環(huán)境變化較為敏感.該地區(qū)種植有大量馬尾松純林、麻櫟純林和馬尾松-麻櫟混交林等,這些均是適合當(dāng)?shù)厣娴牧中?究竟哪種林型更適合于當(dāng)?shù)厣L,需要通過研究土壤理化性質(zhì)和微生物學(xué)特性來解釋,進(jìn)而為該地區(qū)人工林的種植提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐.本文以馬尾松純林、麻櫟純林、馬尾松-麻櫟混交林三種林型為主要研究對象,探討三種林型間不同深度下土壤理化性質(zhì)和土壤微生物生物量碳氮的差異,得出不同林型對土壤養(yǎng)分的影響規(guī)律,為氣候過渡區(qū)人工林合理經(jīng)營和可持續(xù)管理提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究地區(qū)位于河南大別山森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站（32°06′N,114°01′E）,該地區(qū)是中國亞熱帶與暖溫帶的地理分界,氣候類型為大陸性季風(fēng)氣候,森林覆蓋面積90%以上,平均海拔在250 m左右,年均氣溫15.2℃,7月平均氣溫27.2℃,1月平均氣溫1.6℃.年均降水量1 061.7 mm,其中大約70%的降水發(fā)生在生長季節(jié)（5月至10月）.土壤為黃棕壤、潮土和亞類黃褐土,土壤pH值在4.1~4.5之間.該地區(qū)典型植被類型為馬尾松（Pinus massoniana）純林、麻櫟（Quercus acutissima）純林和馬尾松-麻櫟混交林.主要喬木樹種有馬尾松、麻櫟、栓皮櫟（Q.variabilis）和楓香（Liquidambar formosana）等.

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)在研究區(qū)域選取有代表性的馬尾松純林、麻櫟純林和馬尾松-麻櫟混交林三種典型林型,林齡均為20 a,樣地面積均大于1 hm2.每種林型隨機(jī)設(shè)置6塊10 m×10 m小區(qū),每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取五點(diǎn)采集土樣,同層土樣混合成一個(gè)樣品裝入自封帶內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室測定.取樣深度分別為L層、Oi層、Oe層、Oa層.取樣層次劃分主要根據(jù)顏色、質(zhì)地、緊實(shí)度、結(jié)構(gòu)、根系、侵入體等幾個(gè)主要特征.落葉層（L層）：生理性落葉、落枝、凋落的樹皮及花果雜物等地表凋落物形成的,疏松、富有彈性、蓄水透水性強(qiáng).半分解層（Oi層）：已分解的或半分解的枯枝落葉粗有機(jī)物質(zhì)為主的土層.腐殖質(zhì)層（Oe層）：含有腐殖質(zhì)的土壤表層,特征是色暗、疏松,一般在10 cm以上.礦化層（Oa層）：物質(zhì)淋溶下移后淀積而成,礦質(zhì)養(yǎng)分含量豐富.采集的樣品一部分用來測定土壤微生物生物量碳、氮以及速效氮;另一部分自然風(fēng)干后過2 mm篩,用來測碳、氮、磷等指標(biāo).

1.2.2 測定指標(biāo)及方法土壤及植物樣品全碳（TC）、全氮（TN）的測定：樣品用球磨儀研磨后過100目篩,錫紙包樣后用土壤碳氮元素分析儀（Elemental Analyzer Vario ELIII,Elementar,德國）測定.

土壤及植物樣品全磷（TP）的測定：①取0.2 g磨碎后的樣品置于消煮管中,加濃硫酸10 mL和15滴高氯酸,270℃消煮后冷卻定容至500 mL,然后用Smartchem200全自動(dòng)化學(xué)分析儀（法國AMS Alliance公司）測定.②稱取0.2 g植物樣品于消煮管中,用水潤濕樣品,加入5 mL濃硫酸,在消煮爐上370℃消解,消解期間加入15滴過氧化氫,消解后冷卻定容至500 mL,用全自動(dòng)化學(xué)分析儀測定.

土壤速效氮的測定：新鮮土樣過2 mm篩后,稱取10 g于燒杯中,再加入2 mol/L氯化鉀溶液50 mL,置于搖床上1 600 r/min震蕩1 h.靜置后將上清液用定性濾紙過濾,過濾液體用Smartchem 200全自動(dòng)化學(xué)分析儀（法國AMS Alliance公司）測定.

土壤微生物生物量碳（MBC）和土壤微生物生物量氮（MBN）的測定：采用氯仿熏蒸-浸提法測定[6].

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2016進(jìn)行常規(guī)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析及作圖.用SPSS 16.0對不同取樣深度不同林型各土壤理化性質(zhì)及微生物量指標(biāo)進(jìn)行方差分析,并用LSD法進(jìn)行多重比較.統(tǒng)計(jì)分析顯著性在0.05水平下進(jìn)行.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林型間土壤理化性質(zhì)的差異比較

2.1.1 土壤全碳含量差異比較三種林型不同取樣深度全碳差異比較,如圖1所示.

圖1 三種林型不同取樣深度全碳的比較Fig.1 Comparison of total carbon in three forest types at different sampling depths

由圖1可以看出,在不同土層中,L層中全碳含量均表現(xiàn)為針葉林＞闊葉林＞針闊混交林.Oi層中闊葉林的含全碳量僅為14.41 g/kg,顯著低于針葉林和針闊混交林.在Oe和Oa層針闊混交林的含全碳量僅為7.69 g/kg和6.96 g/kg,均低于針葉林和闊葉林的全碳含量,針闊混交林的全碳含量在腐殖質(zhì)層和礦化層出現(xiàn)顯著下降.

2.1.2 土壤全氮含量差異比較三種林型不同取樣深度全氮差異比較,如圖2所示.

圖2 三種林型不同取樣深度全氮的比較Fig.2 Comparison of total nitrogen in three forest types at different sampling depths

由圖2可以看出,在不同土層中,L層中三種林型全氮含量較低,Oi層全氮含量表現(xiàn)為針葉林＞針闊混交林＞闊葉林（P＜0.05）.在Oe層和Oa層針葉林和闊葉林的全氮含量出現(xiàn)明顯增加,Oe層針葉林和闊葉林含全氮量分別為10.20 g/kg、10.23 g/kg.而針闊混交林的含全氮量在Oe層和Oa層分別為1.15 g/kg、1.33 g/kg,針闊混交林含全氮量整體較低.

2.1.3 土壤全磷含量差異比較三種林型不同取樣深度全磷差異比較,如圖3所示.

圖3 三種林型不同取樣深度全磷的比較Fig.3 Comparison of total phosphorus in three forest types at different sampling depths

由圖3可以看出,在不同土層中,L層中全磷含量表現(xiàn)為針闊混交林高于針葉林和闊葉林,闊葉林全磷含量略高于針葉林.Oi層中三種林型含全磷量較L層分別增加了0.06 g/kg、0.18 g/kg、011 g/kg,闊葉林和針闊混交林含全磷量高于針葉林.在Oe層闊葉林含全磷量僅為0.12 g/kg,顯著低于針葉林和針闊混交林.Oa層針闊混交林全磷含量顯著低于針葉林和闊葉林.

2.1.4 土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量差異比較三種林型不同取樣深度土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮土壤含量差異,如圖4所示.

圖4 三種林型不同取樣深度土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮土壤含量差異Fig.4 Differences in soil contents of NH4+ and NO3- in three forest types at different sampling depths

由圖4可以看出,硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量在Oe層和Oa層中三種林型間均無顯著差異.Oa層中針葉林、闊葉林、針闊混交林中的含銨態(tài)氮量分別比Oe層低74%、69%、76%,表現(xiàn)為隨土層加深而不斷降低的趨勢.在三種林型中,闊葉林中的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮在Oe層和Oa層的含量均低于針葉林和針闊混交林的含量,但差異不顯著.

2.2 不同林型間土壤微生物生物量碳氮的差異比較

三種林型不同取樣深度MBC（A）、MBN（B）土壤含量差異,如圖5所示.

圖5 三種林型不同取樣深度MBC、MBN土壤含量差異Fig.5 Differences in soil contents of MBC and MBN in three forest types at different sampling depths

由圖5可以看出,土壤微生物生物量碳在Oe層表現(xiàn)為針闊混交林＞闊葉林＞針葉林,在Oa層則是針葉林＞闊葉林＞針闊混交林,土壤微生物生物量碳含量在三種林型中無顯著差異.土壤微生物生物量氮在Oe層表現(xiàn)為針闊混交林的含量顯著低于針葉林和闊葉林,在Oa層三種林型無顯著差異.三種林型中土壤微生物生物量碳氮含量都隨土層加深而逐漸降低.

3 討論

不同的森林生態(tài)系統(tǒng)類型,其凋落物產(chǎn)量及分解、根系周轉(zhuǎn)速率的差異,造成了地表凋落物的儲量及其組成、土壤各層的厚度及其有機(jī)物含量的不同,進(jìn)而造成了土壤的理化性質(zhì)和微生物生物量的差異[7].而凋落物在微生物的作用下分解釋放可被植物吸收利用的養(yǎng)分元素,是土壤營養(yǎng)的重要來源[8].

碳、氮、磷指標(biāo)是土壤中重要的生源要素,反映了土壤養(yǎng)分貯存供應(yīng)能力及養(yǎng)分動(dòng)態(tài).植物枯落物分解：分歸還、土壤的恢復(fù)進(jìn)程、生態(tài)因子作用即人類活動(dòng)等內(nèi)外因素對土壤碳、氮、磷的特征均會產(chǎn)生重要影響[9].本研究發(fā)現(xiàn)：三種林型中全碳含量差異顯著,在腐殖質(zhì)層和礦化層馬尾松-麻櫟混交林全碳含量顯著低于純林,結(jié)果表明混交林養(yǎng)分分解能力及轉(zhuǎn)化速率較快,從而提高了林地表層的土壤肥力,改善土壤條件.而在兩種純林中,針葉林的全碳含量要高于闊葉林,且針葉林全碳含量隨土層深度變化較小,馬欽彥等[10]研究發(fā)現(xiàn)針葉樹種的各器官平均含C量比闊葉樹種高1.6%~3.4%,養(yǎng)分釋放慢,本研究結(jié)果與其一致.三種林型全氮含量在落葉層和半分解層含量較低,這可能與分解時(shí)的土壤溫度、濕度有關(guān).純林的全氮含量集中在腐殖質(zhì)層和礦化層,可能是由于腐殖質(zhì)層土壤水熱條件和通氣狀況好,細(xì)根的快速周轉(zhuǎn),根際微生物活躍,很容易被土壤微生物所分解,礦質(zhì)層物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化養(yǎng)分含量豐富.整體來看,針葉林全磷含量低于闊葉林和純林,這與黃文娟等[11]發(fā)現(xiàn)針闊混交林的土壤有效磷含量高于馬尾松林的結(jié)果一致,這是由于針葉葉片革質(zhì),透水透氣性較差,不利于有機(jī)磷的分解和轉(zhuǎn)化.半分解層三種林型全磷含量均較高,原因是經(jīng)過落葉層的沉積與淋溶作用表層土壤營養(yǎng)元素含量豐富,腐殖質(zhì)層闊葉林和針闊混交林的全磷含量出現(xiàn)急劇下降,這是因?yàn)殚熑~林和針闊混交林枯枝落葉物較多,腐殖質(zhì)層中有較高的細(xì)根生物量促進(jìn)磷的直接吸收[12].

土壤中速效氮是植物能夠直接快速吸收利用的營養(yǎng)物質(zhì),土壤速效氮主要受氮礦化的影響[13].闊葉林中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量低于針葉林和針闊混交林,但差異不顯著,是由于闊葉林樹種豐富,土壤養(yǎng)分吸收快,氮固持能力較低.三種林型的土壤微生物生物量碳、氮含量都隨土層加深而逐漸降低,這說明表層土壤生境環(huán)境優(yōu)越有利于微生物的生長和繁殖.隨著土層的加深,微生物生境條件變差,影響微生物生物量的分布,其土壤微生物量就明顯低于上層[14].土壤微生物生物量碳和速效氮含量在三種林型間均無顯著差異,這說明三種林型間土壤肥力差異并不大,這與Huang等[15]和張坤等[16]的研究發(fā)現(xiàn)有效性氮是微生物活動(dòng)和分解的主要制約因素的結(jié)果一致.土壤微生物生物量氮在腐殖質(zhì)層表現(xiàn)為針闊混交林的含量顯著低于針葉林和闊葉林,這與土壤全氮含量表現(xiàn)趨勢一致,是因?yàn)槲⑸锪康D(zhuǎn)化為可被植物直接吸收的速效氮,土壤微生物能調(diào)節(jié)土壤中的氮素,讓有效氮素維持一個(gè)平衡狀態(tài).

4 結(jié)論

從本試驗(yàn)結(jié)果來看,整體上針葉林和闊葉林中的全碳含量高于針闊混交林;三種林型的全氮含量在落葉層和半分解層較低,隨著土層的加深,純林全氮含量顯著增加,而針闊混交林則有所下降;全磷含量在針闊混交林中含量高于針葉林和闊葉林.不同林型對土壤速效氮和微生物量碳含量無明顯影響,僅在腐殖質(zhì)層混交林的微生物量氮含量顯著低于純林,并且土壤微生物微生物量碳、氮隨著土層的加深呈現(xiàn)出下降的趨勢.綜合分析可以看出在亞熱帶-暖溫帶氣候過渡區(qū)種植馬尾松純林更有利于土壤養(yǎng)分的積累,但要獲得更可全面的試驗(yàn)結(jié)論,還需要進(jìn)一步研究其土壤養(yǎng)分狀況差異及其影響機(jī)制.